基于快速成形的快速制模技术的应用

来源：《现代模具》作者：发布时间：2008-03-03

关键字：快速成形|快速制模|直接制模|间接制模

　　摘要：本文介绍了在快速成形技术基础上的快速制模技术及其应用，并指出了快速制模技术的发展趋势。

　　将RP技术应用于模具制造，即基于快速成形技术的快速制模技术(Rapid Tooling，RT)的出现，使模具快速制造技术有了新的发展，由于其与生产实际紧密相连，并具有完全使用功能，因而被认为是今后一段时期内快速成形技术发展的主要方向。

　　1 模具的直接快速制造

　　直接快速模具制造是指利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。主要工艺如下：

　　1.1选择性激光烧结

　　选择性激光烧结(selective laser sintering， SLS)是激光束在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，分层对轮廓实心部分所在的粉末进行烧结，逐步得到各层轮廓，以制备三维实体模型和产品的快速成形方法。SLS直接快速制造要求利用大功率设备。

　　美国3D Systems公司采用将金属粉末和有机黏结剂相混合后的粉末烧结技术，同DTM公司联合开发的Laserform ST镍铬钢覆聚合物粉末,制成的注射模,其寿命可达5 万件以上; 用Rapidsteel不锈钢覆聚合物粉末，制成的注射模热传导性好, 硬度、韧性和耐磨性与传统的工具钢模具相当,寿命已达到10 万件以上; 用CuPA铜聚合物混合粉末制成的注射模也具有良好的热传导性和一定的强度, 但在高温下其强度会迅速降低而发生表面材料剥落, 寿命一般为100～400 件,但由于其价格相对低廉,因而在新产品试制中得到广泛应用。

　　1.2 激光净形制造工艺

　　激光净形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)工艺是基于激光熔覆的直接制造技术，是20世纪90年代中后期发展起来的一种先进制造技术，它将快速成形(Rapid Prototyping, RP)技术与激光熔覆(Laser Cladding)技术相结合，采用高功率激光器在基底或前一层金属上生成一个移动的金属液态熔池，然后用喷枪将金属粉沫喷入熔池中，使其熔化并发生冶金反应，并与前层紧密结合，直到生产最终的模具。

　　通过调整激光功率和扫描速度，可以使成形零件的精度可以控制在0.12mm范围内，表面粗糙度约10μm。LENS技术不仅可以显著缩短模具制造时间(可节省40%左右)，而且为模具制造业引进了一个新的设计概念——共形冷却通道(Conformal Cooling channel)。共形冷却通道是根据模芯和模腔形状在模具内部设计的复杂冷却液通道，由于通道完全隐匿于零件内部且形状复杂，因此用传统加工方法很难甚至根本无法制造出来。共形冷却通道可以显著改善模具的导热状况，延长模具使用寿命，而且还可以将模具的单件成形时间缩短10~40%，使得生产效率大为提高。[2]

　　1.3 形状沉积制造

　　形状沉积(Shape Deposition Manufacturing, SDM)工艺在制造过程中，零件和支撑都是逐层同步生成，而且新增加材料都是液态材料，每层完成之后都是在计算机控制下进行切削加工和应力消除处理，层层叠加直到生成零件，最后通过腐蚀手段将支撑除掉，另外为了提高精度和表面质量，在加工过程中引入数控加工处理，即在每一层沉积完成之后，用数控铣对轮廓和表面进行修整，因此可以直接制造高密度的金属零件或模具。SDM工艺制造的金属模具突破了零件复杂程度的限制，同时又是有较高的成型精度。

　　Stanford University对该工艺进行了研究。Stanford大学将去除法和添加法结合在一起，形成自己的形状沉积制造技术，所用材料包括成形材料和支撑材料，所成型的零件具有很高的精度。采用形状沉积工艺，用不锈钢和铜制造的双金属注射模具，用铜做内层可以得到均匀的加热和冷却效果。[3]

　　1.4三维印刷成型技术

　　三维印刷成型(Three Dimensional Printing 3DP)技术采用滴液喷射的RP技术。是用微机控制一个连续喷墨印刷头,依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积液体粘结材料,最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体。

　　美国 Z Corporation 公司开发的ZCast粉末材料直接成形模具型腔，可用于浇注低熔点金属及合金。Sachs等研究了基于3DP技术的直接金属喷射成型工艺，其原理是将金属熔化后，采用某种方式振动熔腔，在微喷嘴处得到均匀的金属液滴，然后在电场的作用下定点定时喷射出来，堆积成形。其红宝石喷嘴直径为50μm，试件层厚为100μm，能够制作带有共形冷却道的任意复杂形状的模具。[4]

　　2 间接快速制模

　　间接制模是通过RP 技术与传统的模具翻制技术相结合制造模具，其特点是一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、力学性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。

　　2.1 基于SLS的间接制模法

　　利用小功率激光烧结含有高分子粘接剂的金属粉末制成原型件,原型件经过脱脂，高温烧结，熔渗金属一系列后处理过程得到金属零件和模具。成型材料是金属粉末和高分子粘接剂的混合体。按一定的比例配比后将两种粉末混合均匀，用小功率激光束对混合粉末进行选择性扫描烧结。激光烧结时只是将高分子粘接剂熔化，熔化的高分子粘接剂将金属粉末粘结在一起得到原型件，再通过脱脂，高温烧结，熔渗金属等后处理过程得到金属零件和模具。

　　在小功率激光间接成型金属零件和模具领域中，最有名的是美国的 DTM 公司，DTM 公司已经开发出多种成型材料，并已商业化。其开发的材料RapidSteel 2.0，烧结层厚最小可到 0.075mm，主要用来制造注塑模，其拉伸强度最大可达到 509Mpa，注塑模的寿命已达 10 万件/副，也可以用来制造用于 Al、Mg、Zn 压铸模，压铸模的寿命只有 200-500 件/副;LaserForm ST-100粉粒直径为 23-34μm，该材料主要用于制造注塑模，其拉伸强度可达到587Mpa，制成的模具生产了1万件塑料产品还没有磨损;利用CopperPolyamide制造模具，可在一天中完成模具的制造任务，制成的模具经机械加工、抛光后表面粗糙度最低可达 1.2μm。制成的模具可广泛用于PE、PP、PS、ABS、PC/ABS、玻璃增强的Polypropylene和其他常用塑料的注塑成型，但是，模具的寿命只有100-400件/副。[5]